Судовые гидравлические машины

Судовые насосные системы играют критически важную роль в обеспечении надежной работы кораблей. Они отвечают за перекачку различных жидкостей, включая топливо, воду и масла, что делает их незаменимыми в судовом строительстве и эксплуатации. Особое внимание необходимо уделить техническим показателям, таким как производительность, давление и энергоэффективность насосов.

Режимы работы насосных систем могут сильно варьироваться в зависимости от специфики задачи и условий эксплуатации. Современные технологии позволяют повысить эффективность и надежность этих систем, что является ключевым фактором для успешного судоходства. Правильный выбор и обслуживание насосов обеспечивают безопасные и экономичные операции на борту.

Судовые насосы

На судах широко применяют гидравлические машины, которые служат для силового взаимодействия их рабочих органов с потоком жидкости, сообщая жидкости или получая от нее механическую энергию. Гидравлические машины делятся на насосы, гидравлические двигатели и гидравлические передачи.

Насосы передают механическую энергию двигателя протекающей через них жидкости, которая используется для перемещения жидкости по трубопроводам и для привода в действие гидравлических двигателей.

Гидравлические двигатели получают от протекающей через них жидкости часть ее механической энергии и передают ее своим рабочим органам для привода обслуживаемых механизмов.

Гидравлические передачи состоят из насоса, гидравлического двигателя и обслуживающей их аппаратуры. Они передают энергию на расстояние посредством рабочей жидкости. На судах используют все виды гидравлических машин, но наибольшее распространение там получили насосы.

Родственную с насосами группу машин составляют вентиляторы, которые преобразуют механическую энергию двигателя в энергию газа, используемую для его перемещения по каналам вентиляционной системы. Увеличение давления газа в вентиляторах обычно не превышает 10 %, что повышает его плотность лишь до 7 %. Поэтому при расчете вентиляторов сжимаемость среды не учитывается, а методы расчета вентиляторов и насосов идентичны.

К судовым гидравлическим машинам предъявляются следующие основные требования:

• надежность работы в условиях качки, вибраций и сотрясений;
• малые масса и габариты;
• высокая экономичность;
• устойчивость работы на переменных режимах и широкие пределы регулирования;
• ограниченный уровень воздушного шума и вибрации;
• простота конструкции и удобство эксплуатации;
• быстрота ввода в действие и остановки.

Классификация судовых насосов. По принципу действия судовые насосы можно разделить на объемные и динамические.

В объемных насосах преобразование энергии происходит в процессе вытеснения жидкости из рабочих камер вытеснителями. Жидкость перемещается путем периодического изменения объема камеры, занимаемой ею, которая попеременно сообщается со входным и выходным патрубками насоса.

В зависимости от характера движения рабочих органов – вытеснителей – объемные насосы делятся на:

• возвратно-поступательные;
• роторные и крыльчатые.

Возвратно-поступательные насосы по форме вытеснителей подразделяются на:

• поршневые;
• и плунжерные.

Роторные насосы и их эксплуатация на суднеРоторные насосы отличаются вращательным движением вытеснителей. Кроме шестеренных и винтовых насосов, у которых вытеснители вращаются, к роторным относятся роторно-поршневые и пластинчатые насосы с вращательным и возвратно-поступательным движением вытеснителей.

Крыльчатыми называют объемные насосы с возвратно-поворотным движением вытеснителей.

У динамических насосов энергия передается путем динамического взаимодействия лопастей вращающегося рабочего колеса с обтекающей их жидкостью или смешением перемещаемой жидкости с рабочим потоком, обладающим большей энергией. Рабочая камёра динамического насоса постоянно сообщается с входным и выходным патрубками.

К динамическим относятся лопастные и струйные насосы. По характеру движения жидкости в рабочем колесе лопастные насосы подразделяют на:

• центробежные;
• осевые и вихревые.

В колесе центробежного насоса жидкость, обтекая лопасти, движется в радиальном направлении, создавая условия для работы сил инерции. В осевом насосе при обтекании лопастей частицы жидкости остаются на одинаковом расстоянии от оси колеса и работа сил инерции равна нулю. Поэтому осевые насосы низконапорные, а центробежные насосы способны развивать большие напоры.

В вихревых насосах жидкость, выйдя из вращающегося колеса, движется в кольцевом канале корпуса по винтовым траекториям, возвращаясь в межлоластное пространство колеса, где снова получает приращение кинетической энергии.

Вихревые и струйные насосы – конструкция и эксплуатация на морских судахСтруйные насосы не имеют движущихся частей и представляют собой струйные аппараты, к которым подводится энергия потока рабочей воды или пара. При разделении насосов учитывают также: герметичность:

• герметичность: объемные – герметичные, динамические – проточные;
• характер подачи: объемные насосы имеют порционную подачу, динамические – равномерную;
• вид характеристики: объемные насосы имеют крутую характеристику, динамические – мягкую,

так как напор, развиваемый объемными насосами, не зависит от подачи, а определяется сопротивлением внешней сети. У динамических насосов напор и подача взаимосвязаны и их зависимость графически выражается плавной кривой.

Классификация судовых насосов и принципы работыКлассификация судовых насосов по конструктивным признакам излагается при рассмотрении насосов с различным принципом действия.

Основные технические показатели насоса и режим его работы в системе

Основными техническими показателями насосов являются:

• подача;
• давление (напор);
• мощность;
• КПД и вакуумметрическая высота всасывания.

Подача может быть объемной и массовой. Объемной подачей вазывают отношение объема V подаваемой жидкой среды ко времени τ (Q = V/τ); массовой подачей Q_м – отношение массы m подаваемой жидкой среды ко времени (Q_м = m/τ).

Массовая подача связана с объемной равенством:

где:

• Q_м – массовая подача, кг/с;
• Q – объемная подача, м³/с;
• ρ – плотность жидкости, кг/м³.

Различают также идеальную подачу, представляющую собой сумму подачи Q и объемных утечек q. Отношение подачи насоса к идеальной подаче называют коэффициентом подачи.

При изучении движения среды в насосах и вентиляторах используют законы сохранения массы, количества движения и энергии.

На законе сохранения массы и предположении о сллошности (неразрывности) течения основано равенство массовых подач в двух или нескольких контрольных сечениях потока жидкости:

где:

• ρ₁ – средняя плотность среды в сечении 1-1, кг/м³;
• C₁ – средняя скорость жидкости в сечении 1-1, м/с;
• F₁ – площадь сечения 1—1, м².

Индекс 2 относится к аналогичным параметрам, характеризующим жидкость в сечении 2-2.

К участку между двумя контрольными сечениями потока в установившимся течением можно применить уравнение количества движения.

Читайте также: Судовые центробежные насосы – конструкция, характеристики и основы эксплуатации

При расходе Q (м³/с), плотности ρ (кг/м³) и скоростях жидкости в сечениях C₁ и C₂ (м/с) приращение количества движения рассмотренного объема жидкости ρQ (C₂ – C₁) dt обусловлено импульсом всех внешних сил ΣP (H), действующих на жидкость за этот же период времени dt, т. е.:

Обозначив ρQ = Q_м и приняв dt = 1 с, получим:

В гидродинамике закон сохранения энергии для несжимаемой среды (идеальной жидкости) и установившегося движения выражается уравнением Бернулли, которое имеет вид:

а для реальной жидкости:

где:

• C₁ и C₂ – средние скорости в сечениях 1-1 и 2-2, м/с;
• p₁ и p₂ – давления в сечениях 1-1 2-2, Па;
• ρ – плотность жидкости, кг/м³;
• g – ускорение свободного падения, м/с²;
• Z₁ и Z₂ – высоты центров тяжести живых сечений 1-1 2-2, м;
• Σh_п – потери напора между сечениями 1-1 и 2-2, м;
• α₁ и α₂ – безразмерные коэффициенты Кориолиса –

– отношение действительного удельного значения кинетической энергии потока к значению удельной кинетической энергии, вычисленному в предположении, что скорости во всех точках живого сечения равны средней скорости. Этот коэффициент приближенно принимается для ламинарных режимов движения равным 2, а для турбулентных – 1.

Если принять, что сечение 1-1 относится ко входу в насос, а сечение 2-2 к выходу из насоса, из уравнения (1-5) согласно ГОСТу получают выражение для развиваемого насосом давления p (Па):

У насосов пользуются понятием предельного давления, т. е. наибольшего давления на выходе из насоса, на которое рассчитана его конструкция.

Напор насоса Н (м) характеризует разность энергии единицы массы жидкости на выходе из насоса и входа в него и определяется зависимостью:

Напор насоса Н состоит из статического Н_ст (м) и динамического Н_дин (м) напоров:

Статическим напором Н_ст насоса принято считать приращение потенциальной энергии единицы массы жидкости в насосе:

Динамическим напором >Н_дин насоса называется приращение кинетической энергии единицы массы жидкости в насосе:

Полезной мощностью N_п (Вт) насоса называется мощность, сообщаемая насосом подаваемой жидкой среде и определяемая зависимостью:

Мощностью насоса N (Вт) называют мощность, потребляемую насосом, часть которой N_пот еряется в насосе в виде потерь:

Потери энергии в насосе N_пот характеризуются КПД насоса. Коэффициент η полезного действия насоса равен отношению полезной мощности к мощности насоса:

Потери в насосе делятся на:

• гидравлические – N_{г. п.};
• объемные – N_о;
• и механические – N_м,

характеризуемые соответствующими КПД.

Гидравлический КПД насоса – отношение его полезной мощности к сумме полезной мощности и мощности, затраченной на преодоление гидравлических сопротивлений в насосе:

Объемный КПД насоса обычно находится по уравнению:

где:

• N_г = N_п + N_{г. п} + N_о – гидравлическая мощность насоса, т. е. мощность, сообщенная жидкости в насосе.

Но ГОСТу объемный КПД определяется отношением:

Механический КПД выражает относительнуюдолю механических потерь в насосе. Он находится по выражению:

КПД насоса или вентилятора является произведением трех КПД – гидравлического, объемного и механического:

Основные технические показатели можно представить в виде графической зависимости (характеристики) их от давления для объемных насосов и от подачи для динамических насосов и вентиляторов при постоянных значениях частоты вращения, вязкости и плотности среды на входе в машину.

Параметры насоса при работе в судовой системе определяют, пользуясь материальным и энергетическим балансом системы насос – сеть. Материальный баланс заключается в равенстве массовой подачи насоса Q_м массовому расходу сети Q_{м. с}:

Если плотность жидкости при движении в системе не изменяется, то уравнение материального баланса можно записать как:

где:

• Q_с – расход в сети трубопроводов, м₃/с.

Энергетический баланс системы заключается в равенстве энергии Q_мН, сообщаемой жидкости в насосе, энергии Q_{м. с}Н_с, необходимой для перемещения жидкости в сети:

Графическая зависимость потребного напора в сети трубопроводов от ее расхода Н_с = f (Q_с) при постоянном положении регулирующих органов называется характеристикой сети трубопроводов.

Рабочий режим гидравлической системы находится совмещением на одном графике характеристик насоса Н = f (Q) и сети трубопроводов Н_с = f (Q_с) (см. рис.). Точка А пересечения этих характеристик определяет рабочий режим данной гидравлической системы, так как в этой точке выполняются материальный и энергетический балансы. Параметры, соответствующие точке А, для насоса и системы являются расчетными или спецификационными. Обычно расчетному режиму насоса соответствует его наибольший КПД.

Автор

Ольга Коцофан

Фрилансер

Список литературы

1. Башта Т. М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. – М.: Машиностроение, 1974. – 606 с.
2. Большаков В Ф., Гинсбург Л. Г. Подготовка топлив и масел в судовых дизельных установках. – Л.: Судостроение, 1978.- 151 с.
3. Валдаев М. М. Гидравлические приводы судовых палубных механизмов. – Л.: Судостроение, 1973. – 295 с.
4. Ватипко Б. А. и др. Техническая эксплуатация судовых палубных механизмов и закрытий. – М.: Транспорт, 1978. – 200 с.
5. Воронов В. Ф., Арцыков А. П. Судовые гидравлические машины. – Л.; Судостроение, 1976. – 301 с.
6. Дубровский О.Н. к др. Гидравлические приводы судовых механизмов. – Л.: Судостроение, 1969. – 383 с.
7. Епифанов Б. С. Судовые системы. – Л.: Судостроение, 1980. – 176 с.
8. Ермилов В. Г. Теплообменные аппараты и конденсационные установки – Л.: Судостроение, 1974 – 223 с.
9. Завиша В. В., Декин Б. Г. Судовые вспомогательные механизмы. – М.: Транспорт, 1974. – 392 с.
10. Захаров Ю. В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. – Л.. Судостроение, 1979. – 584 с.